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电力系统分析 黄琦 教授 电子科技大学
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第1章 绪论 三峡水电站
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1.1 能源和电能 1.1.1 能源分类 1.按获得方法的不同分类 (1)一次能源，指自然界中现成存在，可直接取得和 利用而又不改变其基本形态的能源，如煤、石油、天 然气、水能、风能等。 (2)二次能源，指由一次能源经加工转换而成的另一 种形态的能源，如电力、蒸汽、煤气、焦炭、汽油等， 它们使用方便且易于利用，是高品质的能源。
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2.按被利用程度的不同分类 (1)常规能源 (2)新能源
指在一定的历史时期和科学技术水平下，已经被人们 广泛利用的能源，如煤、石油、天然气、水能等。 (2)新能源 指采用先进的方法加以广泛利用的许多古老的能源， 以及用新发展的技术开发的能源，如太阳能、风能、 海洋能、地热能、生物质能、氢能等。 核能通常也被看成是新能源，因为从被利用程度看， 它还远不能和已有的常规能源相比。
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3.按能否再生分类 (1)可再生能源，指自然界中可以不断再生并有 规律地得到补充的能源，如水能、风能、太阳能、 海洋能等。 (2)非再生能源，指随着人类的利用而越来越少， 总有枯竭之时的能源，如煤、石油、天然气、核 燃料等。
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1.1.2 电能 (1)便于大规模生产和远距离输送。 (2)方便转换和易于控制。
用于生产电能的一次能源广泛，它可以由煤、石油、 核能、水能等多种能源转换而成，便于大规模生产。 电能运送简单，便于远距离传输和分配。 (2)方便转换和易于控制。 电能可方便地转换成其他形式的能，如机械能、热能、 光能、声能、化学能及粒子的动能等，同时使用方便， 易于实现有效而精确的控制。
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(3)损耗小。 (4)效率高。 (5)无气体和噪声污染。 输送电能时损耗比输送机械能和热能都小得多。
它可取代其他形式的能源，如用电动机代替柴油机，用电气机车代替蒸汽机车，用电炉代替其他加热炉等，可提高效率20%~50%。 (5)无气体和噪声污染。 例如，用电瓶车代替汽车、柴油车、蒸汽机车等，成为“无公害车”，因此，电能被称为“清洁能源”。
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1.1.3 发电厂 将各种一次能源转变成电能的工厂称为发电厂。
按一次能源的不同，发电厂分为火力发电厂(以煤、 石油和天然气为燃料)、水力发电厂(以水的位能 作动力)、核能发电厂以及风力发电厂、太阳能发 电厂、地热发电厂、潮汐能发电厂等。此外，还 有直接将热能转换成电能的磁流体发电等。
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1.2 火力发电厂 燃料的化学能→热能→机械能→电能 1.按使用燃料不同分类 (1)燃煤发电厂，即以煤作为燃料的发电厂。
(2)燃油发电厂，即以石油(实际是提取汽油、煤油、柴油后的渣油)为燃料的发电厂。 (3)燃气发电厂，即以天然气、煤气等可燃气体为燃料的发电厂。 (4)余热发电厂，即用工业企业的各种余热进行发电的发电厂。 还有利用垃圾和工业废料作为燃料的发电厂。
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2.按蒸汽压力和温度不同分类 (1)中低压发电厂，指蒸汽压力在3.92MPa、温 度为450℃的发电厂，单机功率小于25MW。
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(4)亚临界压力发电厂，指蒸汽压力一般为 16.77MPa、温度为540/540℃的发电厂，单机 功率为300MW直至1000MW不等。
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3.按原动机不同分类 按原动机不同，火电厂可分为凝汽式汽轮机发 电厂、燃气轮机发电厂、内燃机发电厂和蒸 汽—燃气轮机发电厂等。 4.按输出能源不同分类 (1)凝汽式发电厂，即只向外供应电能的发电厂， 其效率较低，只有30%~40%。 (2)热电厂，即同时向外供应电能和热能的发电 厂，其效率较高，可达60%~70%。
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5.按发电厂装机容量的不同分类 (1)小容量发电厂，指装机总容量在100MW以下 的发电厂。
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1.2.2 火电厂的电能生产过程 我国火电厂所使用的能源主要是煤，且主力电厂是凝汽式发电厂。
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整个生产过程可分为3个系统： ①燃料的化学能在锅炉燃烧中转变为热能，加 热锅炉中的水使之变为蒸汽，称为燃烧系统；
②锅炉产生的蒸汽进入汽轮机，冲动汽轮机的 转子旋转，将热能转变为机械能，称为汽水系 统； ③ 由汽轮机转子旋转的机械能带动发电机旋转， 把机械能变为电能，称为电气系统。
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1.燃烧系统 燃烧系统由运煤、磨煤、燃烧、风烟、灰渣等系统组成
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1)运煤系统 火电厂的用煤量是很大的，装机容量4×30万 kW的发电厂，煤耗率按360g/(kW.h)计，每天 需用标准煤360×120×104×24=10368(t)。 据统计，我国用于发电的煤约占总产量的1/2， 主要靠铁路运输，约占铁路全部运输量的40%。 为保证火电厂安全生产，一般要求火电厂储备 10天以上的用煤量。
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2)磨煤系统 电厂储煤场───→初步筛选───→输煤皮带───→锅炉间原煤仓───→煤斗───→给煤机───→磨煤机───→煤粉───→空气预热器───→烘干───→粗粉分离器───→合格的细煤粉───→旋风分离器───→煤粉与空气分离───→煤粉仓
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中速磨煤机
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3)燃烧系统 煤粉───→给粉机───→一次风管───→排粉风机 ───→喷燃器───→锅炉炉膛───→燃烧。
目前我国新建电厂以300MW及以上机组为主。 300MW机组的锅炉蒸发量为1000t/h(亚临界压 力)，采用强制循环的汽包炉； 600MW机组的锅炉为2000t/h的直流炉。
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锅炉四壁上均匀分布着4支或8支喷燃器，将煤粉(或燃油、 天然气)喷入锅炉炉膛，火焰呈旋转状燃烧上升，汽包炉 又称为悬浮燃烧炉。
锅炉顶端有贮水、贮汽的汽包，内有汽水分离装置，炉膛 内壁有彼此紧密排列的水冷壁管，炉膛内的高温火焰将水 冷壁管内的水加热成汽水混合物上升进入汽包，而炉外下 降管则将汽包中的低温水靠自重下降至水连箱与炉内水冷 壁管接通。
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靠炉外冷水下降而炉内水冷壁管中热水自然上升 的锅炉叫自然循环汽包炉，而当压力高到 16. 66~17
靠炉外冷水下降而炉内水冷壁管中热水自然上升 的锅炉叫自然循环汽包炉，而当压力高到 16.66~17.64MPa时，水、汽重度差变小，必须在 循环回路中加装循环泵的锅炉，即称为强制循环 锅炉。 当压力超过18.62MPa时，应采用直流锅炉。
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4)风烟系统 送风机───→冷风───→空气预热器───→炉膛───→高温烟气───→烟道───→过热器───→省煤器───→空气预热器───→除尘器───→引风机───→烟囱───→排向大气
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5)灰渣系统 炉膛───→炉渣───→冲灰沟 除尘器───→细灰───→冲灰沟───→灰渣泵───→冲灰管道───→灰场
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2.汽水系统 由锅炉、汽轮机、凝汽器、除氧器、加热器等设备及管道构成，包括给水系统、循环水系统和补充给水系统。
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1)给水系统 锅炉───→过热蒸汽───→主蒸汽管道───→汽轮机───→做功───→凝汽器───→凝结成水(称为凝结水) ───→凝汽器的热水井
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凝结水───→凝结水泵───→低压加热器───→除氧器───→除氧器出来的水(称为锅炉给水) ───→给水泵───→高压加热器───→锅炉汽包
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2)补充给水系统 3)循环水系统 汽水循环───→汽水泄漏损失───→补充经过化学处理的软化水───→除氧器或凝汽器
目的：将汽轮机中做过功后排入凝汽器中的乏汽冷却凝结成水 循环水泵───→凉水塔───→冷却水───→凝汽器───→吸收乏汽的热量───→凉水塔冷却 冷却水是循环使用的，这就是循环水系统。
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3.电气系统 包括发电机、励磁装置、厂用电系统和升压变电站等。
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发电机的机端电压和电流随着容量的不同而不同，额定电压一般在10~30kV之间，而额定电流可达20kA及以上。
厂用电(或自用电)：给水泵、送风机、磨煤机等各种辅机和电厂照明等用电，约占发电机容量的4%~8%。
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1.2.3 火电厂的特点 (1)布局灵活，装机容量的大小可按需要决定。
(2)一次性建造投资少，仅为同容量水电厂的一 半左右。火电厂建造工期短，2×300MW机组， 工期为3~4年。发电设备年利用小时数较高， 约为水电厂的1.5倍。 (3)耗煤量大，加上运煤费用和大量用水，其单 位电量发电成本比水电厂要高出3~4倍。
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(4)动力设备繁多，发电机组控制操作复杂，厂用 电量和运行人员都多于水电厂，运行费用高。
(5)大型发电机组由停机到开机并带满负荷需要几 小时到十几小时乃至几十小时，并附加耗用大量 燃料。例如，一台12万kW发电机组启停一次耗煤 可达84t之多。 (6)火电厂担负急剧升降的负荷时，必须付出附加 燃料消耗的代价。 例如，某火电厂平均煤耗约400g/(kW.h)，而参与调峰 则煤耗将增至468~511g/(kW.h)，平均增加22%~29%。
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(7)火电厂担负调峰、调频或事故备用时，相应的 事故增多，强迫停运率增高，厂用电率增高。据 此，从经济性和供电可靠性考虑，火电厂应当尽 可能担负较均匀的负荷。
(8)火电厂对空气和环境的污染大。
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1.3 水力发电厂 水力发电厂简称水电厂，又称水电站，是 把水的位能和动能转换成电能的工厂。
基本生产过程：从河流较高处或水库内引 水，利用水的压力或流速冲动水轮机旋转， 将水能转变成机械能，然后由水轮机带动 发电机旋转，将机械能转换成电能。
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优先开发水电，这是一条国际性的经验，是发展能源的客观规律。
水的能量与其流量和落差(水头)成正比： P=9.81ηQH 水电站的效率η=0.8，流量为Q(m3/s)，水头为H(m)，水电出力为P(kW)。 优先开发水电，这是一条国际性的经验，是发展能源的客观规律。
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三峡水电厂总库容为393亿m3，装机容量为2250 万kW，年平均发电量为1000亿kW.h。
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1.3.1 水电厂的分类 1.按集中落差大小的不同分类 1)坝式水电站
在河流的适当位置建筑拦河坝，形成水库，抬 高上游水位，使坝的上、下游形成大的水位差， 这种水电站称为坝式水电站。 坝式水电站适宜建在河道坡降较缓且流量较大 的河段。 这类水电站按厂房与坝的相对位置不同又可分 为以下6种。
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(1)坝后式厂房 其厂房建在拦河坝非溢流坝段的后面(下游侧)，不承受水的压力，压力管道通过坝体，适用于高、中水头，如三峡电厂、刘家峡电厂(总装机容量122.5万kW，最大水头114m)。
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(2)溢流式厂房 溢流式厂房建在溢流坝段后(下游侧)，泄洪水流从厂房顶部越过泄入下游河道，适用于河谷狭窄，水库下泄洪水流量大，溢洪与发电分区布置有一定困难的情况。 如浙江的新安江水电站(总装机容量66.25万kW，最大水头84.3m)及贵州的乌江渡水电站(总装机容量63万kW，最大水头134.2m)。
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(3)岸边式厂房 岸边式厂房建在拦河坝下游河岸边的地面上，引水道及压力管道明铺于地面或埋设于地下，如松花江上游的白山水电站(总装机容量150万kW，最大水头126m)的二期厂房(一期厂房为地下式)。
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(4)地下式厂房 地下式厂房的引水道和厂房都建在坝侧地下， 如四川雅砻江下游的二滩水电站(总装机容量 330万kW，最大水头189m)。
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(5)坝内式厂房 坝内式厂房的压力管道和厂房都建在混凝土坝 的空腔内，且常设在溢流坝段内，适用于河谷 狭窄，下泄洪水流量大的情况。
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(6)河床式厂房 其厂房与拦河坝相连接，成为坝的一部分，厂房承受水的压力，适用于水头小于50m的水电站。
溢洪坝、溢洪道是为了宣泄洪水、保证大坝安全而设的泄水建筑物，如葛洲坝水电厂 (总装机容量271.5万kW，最大水头27m)。
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2)引水式水电站 由引水系统将天然河道的落差集中进行发电的 水电站称为引水式水电站。
引水式水电站适宜建在河道多弯曲或河道坡降 较陡的河段，用较短的引水系统可集中较大的 水头；也适用于高水头水电站，避免建设过高 的挡水建筑物。
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在河流适当地段建低堰(挡水低坝)，水经引水渠和压力水管引入厂房，从而获得较大的水位差。
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小河流上的引水式水电站如云南省北部以礼河上的4个梯级水电站(总装机容量32
小河流上的引水式水电站如云南省北部以礼河上的4个梯级水电站(总装机容量32.15万kW，最大水头：一级77m，二级79m，三、四级均为629m)。 大河流上的引水式水电站如红水河上的天生桥二级水电站(总装机容量132万kW，最大水头204m)；湖北省清江上的隔河岩水电站(总装机容量120万kW，最大水头121.5m)。
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2.按径流调节的程度分类 1)无调节水电厂 河川径流在时间上的分布往往与水电厂的用水 要求不相一致。
如果水电厂取水口上游没有大的水库，就不能 对径流进行调节以适应用水要求，这种水电厂 称为无调节水电厂或径流式水电厂。 例如，引水式水电厂、水头很低的河床式水电 厂，多属此种类型。 这种水电厂的出力变化主要取决于天然来水流 量，往往是枯水期水量不足，出力很小，而洪 水期流量很大，产生弃水。
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2)有调节水电厂 如果在水电厂取水口上游有较大的水库，能按 照发电用水要求对天然来水流量进行调节，这 种水电厂称为有调节水电厂。
例如，堤坝式水电厂、混合式水电厂和有日调 节池的引水式水电站，都属此类。 根据水库对径流的调节程度，又可将有调节水 电厂分为以下类型。
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(1)日调节水电厂 (2)年调节水电厂 库容较小，只能对一日的来水量进行调节，以适应水电厂日出力变化对流量的要求。
有较大的水库，能对天然河流中一年的来水量进行调节，以适应发电厂年出力变化(包括日出力变化)和其他用水部门对流量的要求。 它能将丰水期多余水量存蓄于库中供枯水期使用，以增大枯水期流量，提高水电厂的出力和发电量。
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(3)多年调节水电厂 多年调节水电厂一般有较高的堤坝和很大的库容，能改变天然河流一个或几个丰、枯水年循环周期中的流量变化规律，以适应水电厂和其他用水部门对流量的要求。 完全的多年调节水库弃水很少，可使水电厂的枯水期出力和年发电量得到很大提高。
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1.3.2 水电厂的特点 (1)可综合利用水能资源。 水电厂除发电以外，还有防洪、灌溉、航运、供水、养殖及旅游等多方面综合效益，并且可以因地制宜，将一条河流分为若干河段，分别修建水利枢纽，实行梯级开发。
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(2)发电成本低、效率高。 不用燃料，省去了运输、加工等多个环节，运行维护人员少，厂用电率低，发电成本仅是同容量火电厂的1/3~1/4或更低。 (3)运行灵活。 水电厂设备简单，易于实现自动化，机组启动快，水电机组从静止状态到带满负荷运行只需4~5min，紧急情况只用1min即可启动。 水电厂能适应负荷的急剧变化，适合于承担系统的调峰、调频和作为事故备用。
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(4)水能可储蓄和调节。 (5)水力发电不污染环境。 (6)水电厂建设投资较大，工期较长。
电能的发、输、用是同时完成的，不能大量储 存，而水能资源则可借助水库进行调节和储蓄， 而且可兴建抽水蓄能电厂，扩大利用水的能源。 (5)水力发电不污染环境。 大型水库可能调节空气的温度和湿度，改善自 然生态环境。 (6)水电厂建设投资较大，工期较长。
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(7)水电厂建设和生产都受到河流的地形、水量及 季节气象条件限制，因此发电量也受到水文气象 条件的制约，有丰水期和枯水期之别，因而发电 不均衡。
(8)由于水库的兴建，淹没土地，移民搬迁，给农 业生产带来一些不利，还可能在一定程度上破坏 自然界的生态平衡。
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1.3.3 抽水蓄能电厂 1.工作原理 上、下游均需有水库以容蓄能量转换所需要的水量。 必须兼备抽水和发电两类设施。
既是一个吸收低谷电能的电力用户(抽水工况)，又是一个提供峰荷电力的发电厂(发电工况)。
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在电力负荷低谷时(或丰水时期)，利用电力系统待供的富 余电能(或季节性电能)，将下游水库中的水抽到上游水库， 以位能形式储存起来；
待到电力系统负荷高峰时(或枯水时期)，再将上游水库中 的水放下，驱动水轮发电机组发电，并送往电力系统。
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2.抽水蓄能电厂在电力系统中的作用 (1)调峰 电力系统峰荷的上升与下降变动比较剧烈，抽 水蓄能机组响应负荷变动的能力很强，能够跟 踪负荷的变化，在白天适合担任电力系统峰荷 中的尖峰部分。 例如，我国广东抽水蓄能电厂，装机容量为 8×300MW，在电力系统调峰中发挥了重要作 用。
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(2)填谷 在夜间或周末，抽水蓄能电厂利用电力系统富余电能 抽水，使火电机组不必降低出力(或停机)和保持在热效 率较高的区间运行，从而节省燃料，并提高电力系统 运行的稳定性。 填谷作用是抽水蓄能电厂独具的特色，常规水电厂即 使是调峰性能最好的，也不具备填谷作用。
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(3)备用 抽水蓄能机组启动灵活、迅速，从停机状态启 动至带满负荷仅需1~2min，而由抽水工况转到 发电工况也只需3~4min，因此，抽水蓄能电厂 宜于作为电力系统事故备用。
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(4)调频 抽水蓄能机组跟踪负荷变化的能力很强，承卸 负荷迅速灵活。
抽水蓄能机组跟踪负荷变化的能力很强，承卸 负荷迅速灵活。 当电力系统频率偏离正常值时，它能立即调整 出力，使频率维持在正常值范围内，而火电机 组却远远适应不了负荷陡升陡降。 天荒坪抽水蓄能电站 (浙江安吉)
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(5)调相 抽水蓄能电厂的同步发电机在没有发电和抽水任务时，可用来调相。
由于抽水蓄能电厂距离负荷中心较近，控制操作方便，对改善系统电压质量十分有利。 宜兴抽水蓄能电站上水库
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发电机的调相运行，是指发电机不发出有功功 率，只用来向电网输送感性无功功率的运行状 态，从而起到调节系统无功、维持系统电压水 平的作用。
发电机的调相运行，是指发电机不发出有功功 率，只用来向电网输送感性无功功率的运行状 态，从而起到调节系统无功、维持系统电压水 平的作用。 发电机作调相运行时，既可过励磁运行也可欠 励磁运行。 过励磁运行时，发电机发出感性无功功率；欠 励磁运行时，发电机发出容性无功功率。 一般作调相运行时均是指发电机工作在过励磁 即发出感性无功功率的状态。 注：容性无功功率可以抵消感性无功功率而提高功率因数。
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3.抽水蓄能电厂的功能 (1)降低电力系统燃料消耗。
电力系统中的大型高温高压热力机组，包括燃 煤机组和核电机组，不适于在低负荷下工作， 在强迫压低负荷后，燃料消耗、厂用电和机组 磨损都将增加。 抽水蓄能机组与燃煤机组和核电机组联合运行 后，可以保持这些热力机组在额定出力下稳定 运行，从而提高运行效率和减少电力系统燃料 消耗。
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(2)提高火电设备利用率。 以抽水蓄能电厂替代电力系统中的热力机组调 峰，或者使大型热力机组不压负荷或少压负荷 运行，均可减少热力机组频繁开、停机所导致 的设备磨损，减少设备故障率，从而提高热力 机组的设备利用率和使用寿命。
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(3)可作为发电成本低的峰荷电源。 抽水蓄能电厂的抽水耗电量大于其发电量。
运行实践经验证明，抽水用4kW.h换取尖峰电 量3kW.h是合算的。 抽水蓄能电厂在负荷低谷期间抽水所用电能来 自运行费用较低的腰荷机组(运行位置恰处于基 荷之上)，在负荷高峰期间发电替代了运行费用 较高的机组，峰荷、腰荷热力机组在经济性上 差别越大，则抽水蓄能电厂的经济效益越显著。
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(4)对环境没有污染且可美化环境。 抽水蓄能电厂有上游和下游两个水库。
纯抽水蓄能电厂的上游水库建在较高的山顶上， 如在风景区，还会美化环境增辉添色。
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(5)抽水蓄能电厂可用于蓄能。 电能的发、输和用是同时完成的，不能大量储存，而水能可借助上游水库储蓄，应用抽水蓄能机组将下游水库中的水抽到上游水库，以位能形式储存起来，便可实现较大规模的蓄能。 总之，抽水蓄能电站优点较多，却存在致命弱点，即转换效率不是百分之百，因此，该型电站单从运营的角度看绝对是亏本的，一般没有特殊需要，不会建造该型电站。
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1.4 核能发电厂 核能发电厂简称核电厂，是利用反应堆中核燃料裂变链式反应所产生的热能，再按火电厂的发电方式将热能转换为机械能，再转换为电能，它的核反应堆相当于火电厂的锅炉。 核能能量密度高，作为发电燃料，其运输量非常小，发电成本低。 注：每克铀-235全部裂变时所释放的能量相当于2.7t标准煤完全燃烧时所释放的能量。
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核电厂不释放CO2、SO2及NOx，有利于环境保护。
与火电厂相比，核电厂的建设费用高，但燃料所占费用较为便宜。 核电厂应在额定功率或尽可能在接近额定功率的工况下带基本负荷连续运行。
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1.5 新能源发电 1.5.1 风力发电 是一种过程性能源，不能直接储存，而且具有间歇性、随机性、波动性，这给风能的利用增加了技术上的复杂性。
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风电场SCADA系统
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1.5.2 太阳能发电 太阳能发电有热发电和光发电两种方式。 1.太阳能热发电 其基本组成与常规火电设备类似。 它又分集中式和分散式两类。
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集中式太阳能热发电又称塔式太阳能热发 电。
集中式太阳能热发电又称塔式太阳能热发 电。 大面积场地───→大量定日镜(反射镜)阵列 ───→太阳跟踪系统───→太阳光反射集中于 高塔顶部的吸热器(又称接收器)上───→光 能转换成热能───→吸热器内的工质(水)变 成蒸汽───→管道───→汽轮机───→发电 美国于1982年在加州南部建成的塔式太阳能电站，总功率10MW，塔高91.5m，接收器直径7m、高13.72m，共有定日镜1818块，实际运行时所发出的最大功率达13.1MW。
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分散式太阳能热发电是在大面积的场地上安装许多套结构相同的小型太阳能集热装置，通过管道将各套装置所产生的热能汇集起来，进行热电转换，发出电力。
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2.太阳能光发电 直接将太阳的光能转变成电能，有多种发电方式， 其中光伏发电方式是主流。
单晶硅：转换效率最高，一般可达15~18%，实验 室可达百分之二十几，昂贵。 多晶硅：一般可达12~17%，贵。 非晶硅薄膜电池：6~8%左右，廉价。 有一种III-VI族聚光型太阳能发电系统，效率最高， 36%以上，快接近40％了。
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单晶硅电池 多晶硅电池 薄膜光伏电池
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